JPH0413961A - 空燃比検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は空燃比検出装置に係り、特に内燃機関の空燃比
を広範囲にわたり検出しうる空燃比検出装置に関する。

〔従来の技術〕

一般に燃料噴射量制御装置を設けてなる内燃機関では、
燃費の向上及び排気ガスの清浄化等を図るために空燃比
検出装置（酸素センサ）を排気管に配設し、この空燃比
検出装置が検出する排気ガス中の酸素濃度に基すき燃料
噴射量を決定する制御か行われている。

従来より数多く使用されている空燃比検出装置は、白金
電極を形成したジルコニア固体電解質隔壁の両側で酸素
分圧が異なると、起電力か発生することを応用したもの
で、ジルコニア固体電解質を酸素濃淡電池として用いて
いる。

しかるに、上記空燃比検出装置では排気ガス中の酸素濃
度が理論空燃比よりリッチであるかり一ンであるかのオ
ン−オフ的な検知を行い得るのみであり、理論空燃比よ
りリッチ側或いはリーン側での広範囲な空燃比検知を行
うことはできなかった。

一方、ジルコニア固体電解質の両面に通気性薄膜状電極
を設け、この電極対間に電圧を印加すると、陰極側から
陽極側に酸素イオンか透過し、これに伴って電極対間に
電流が流れる（この現象を一般に酸素ポンプ作用という
）が、この際酸素イオンの透過量を制限してやると、印
加電圧を増大させてもある値以上は電流が増加しない現
象を利用して酸素゛濃度を検出する限界電流式の空燃比
検出装置が提供されている。

この限界電流式の空燃比検出装置は、理論空燃比よりリ
ーン領域の空燃比を検知できるものの、リーン領域の空
燃比しか検出できないことによりリーンセンサとも呼ば
れており、リッチ領域の空燃比の検知はほとんど不可能
である。

そこで、一つの検出器でリッチ領域からリーン領域まで
の広い空燃比を検出することを目的として、ジルコニア
固体電解質に二つの電極対を設け、その内一方の電極対
は直流電源に接続して酸素ポンプ部を構成するようにし
、他方の電極対は電圧源に接続して酸素センサ部を構成
するようにした空燃比検出装置か提案されている（特開
昭６０−２４４４５号公報）。

この構成の空燃比検出装置によれば、酸素ポンプ部が排
気ガスとの接触側へ酸素を供給し排気ガスの酸素含有量
を増加させるため、リーンセンサを構成する限界電流式
酸素センサ部でも、リッチ領域からリーン領域までの広
い範囲において空燃比を検知することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

第７図は上記特開昭６０−２４４４５号公報に開示され
た空燃比検出装置を示している。同図において、■は筒
状態、２はガス拡散孔、３はジルコニア固体電解質、４
ａ、４ｂ、’５ａ、５ｂは白金電極、６ａ〜６ｄはリー
ド線、７は電流源、８は電圧源、９は電流測定装置、１
０はヒータである。

この空燃比検出装置において、一対の電極４ａ。

５ａはリード線６ａ、６ｂを介して直流定電流電源７に
接続され酸素ポンプ部を構成し、−万一対の電極４ｂ、
５ｂはリード線６ｃ、６ｄを介して定電圧電源８及び電
流測定装置９に接続され限界電流式酸素センサ部を構成
する。

同図に示されるように、従来の空燃比検出装置では、広
範囲にわたり空燃比の検出を行えるものの、合計４個の
電極４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂを必要とし、これに対応し
て４本のリード線６ａ〜６ｄを必要とするため、空燃比
検出素子内部の構造が複雑になり、素子を大型化する必
要が生ずる課題があった。また、素子の大きさを規定し
た場合には、各電極４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂを小さくし
なければならず、よってこの場合には測定精度が劣化し
てしまう。更に、この構成の空燃比検出装置では、装置
から引き出されるリード線の数が多くなるため（ヒータ
１０のリード線も含めると６本となる）、空燃比検出装
置の周辺回路が複雑になってしまうという課題があった
。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、簡単な
構造で広範囲にわたり空燃比の検出を行いうる空燃比検
出装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、本発明では、ジルコニア固
体電解質と、 このジルコニア固体電解質の両面に配設され、一方が排
気ガス側と接し、他方が大気側と接するよう配設された
一対の電極と、 透過する酸素分子の数を制御する拡散律速層と、排気ガ
ス側の電極との間に形成されており、排気ガスに含まれ
る反応ガスが酸化反応する反応部と、上記一対の電極に
直流電源を供給し、この一対の電極と共に酸素ポンプを
構成する酸素ポンプ回路と、 上記一対の電極に電圧を印加し、この一対の電極と共に
限界電流式酸素濃度センサを構成する酸素濃度検出回路
と、 上記一対の電極を一定の周期で上記ポンプ回路または酸
素濃度検出回路に交互に接続させるスイッチ手段と により空燃比検出装置を構成したことを特徴とするもの
である。

〔作用〕

上記構成とされた空燃比検出装置では、スイッチ手段に
より一対の電極（即ち、１個の電極対）を酸素ポンプ回
路または酸素濃度検出回路に選択的に接続することによ
り、一対の電極か酸素ポンプ回路の電極と酸素濃度検出
回路の電極とを兼ねる構成となる。

よって、スイッチ手段により一対の電極か酸素ポンプ回
路と接続された場合には、酸素ポンプ回路は一対の電極
に定電流を供給し、大気側から反応室側に上記電流値に
比例した一定量の酸素か送られる。

また、スイッチ手段により一対の電極が酸素濃度検出回
路に接続されるた場合には、酸素濃度検出回路は上記一
対の電極間に定電圧を印加し、よって一対の電極間には
拡散律速層によって制限された排気ガス中の酸素濃度に
対応した電流がながれる。この電流値を測定することに
より、排気ガス中の酸素濃度を検出することかできる。

このように一対の電極か、酸素ポンプ回路の電極と酸素
濃度検出回路の電極とを兼ねる構成とすることにより、
電極の数を及びリード線の数を少なくすることかできる
。

〔実施例〕

次に本発明の実施例について図面と共に説明する。第１
図は本発明の一実施例である空燃比検出装置１１の要部
構成図である。同図に示す空燃比検出装置１１は大略す
ると、センサ本体部１２、酸素ポンプ回路１３、酸素濃
度検出回路１４、スイッチ回路１５とにより構成されて
いる。

センサ本体部１２は限界電流式酸素センサ（リーンセン
サ）を構成しており、ジルコニア固体電解質１６、この
ジルコニア固体電解質１６の両側部に配設された一対の
白金電極１７．１８、対の電極の内一方の電極１７と対
向するよう配設されたセラミック製の拡散律速層１９．
２本のリード線２０．２１等により構成されている。ま
た、上記電極１７と拡散律速層１９との間には、この電
極１７と拡散律速層１９とに画定されるように反応室２
２が形成されている。

上記センサ本体部１２は、拡散律速層１９か排気ガス側
に、また電極１８が大気側となるようエンジンの排気管
に取り付けられる。このセンサ本体部１２は一対の電極
１７．１８のみを有することを特徴とし、よって引き出
されるリード線も２本と、従来の広範囲測定可能な空燃
比検出装置に比へてその数が少なくなっている。

第２図及び第３図はセンサ本体部１２の具体例を示して
いる。尚、各図において第１図と対応する構成について
は同一符号を付す。

第２図に示されるセンサ本体部１２−１は、ジルコニア
固体電解質１６を試験管状に形成し、その内外面に白金
電極１７．１８を設けると共に、外側にセラミックコー
ティングを施して拡散律速層１９を形成した構造とされ
ている。また、このセンサ本体部１２−１にはセラミッ
クヒータ２４か内設されており、素子温度を一定に保つ
よう構成されている。

一方、第３図に示されるセンサ本体部１２−２は積層タ
イプの平板状センサである。このセンサ本体部１２−２
は、ジルコニア固体電解質１６の両面に一対の白金電極
１７．１８をペースト電極として形成し、一方の電極Ｉ
７上には反応室２２及びに拡散抵抗効果を奏するスピネ
ルのプラズマ溶射による拡散律速層１９か形成されてい
る。また、他方の電極１８は大気と接するよう構成され
ている。この各電極１７．１８は夫々櫛歯形状とされて
おり、排気ガス及び大気との接触面積が広くなるよう構
成されている。更に、このセンサ本体部１２−２にも素
子温度を一定に保つためのヒータ２５が設けられている
。

上記のセンサ本体部＋１−１，１１−２は共に一対の電
極１７．１８のみが配設された構成であり、よってセン
サ本体部１１−］、１２−２から引き出されるリード線
の数は２本（ヒータ２４゜２５のリード線を含めると４
本）と少なくなっている。

再び第１図に戻って説明する。

酸素ポンプ回路１３は定電流回路２６から構成されてお
り、空燃比検出装置１１が後述する酸素ポンプモードと
なっている時、上記した一対の電極１７．１８に対して
所定の電流を供給する。

酸素濃度検出回路１４は、定電圧源２７、固定抵抗２８
、電圧測定回路２９、平滑回路３０等から構成されてい
る。定電圧源２７は、空燃比検出装置１１が後述する測
定モードとなっている時、上記した一対の電極１７．１
８に対して所定の電圧を印加するものである。この定電
圧源２７によりジルコニア固体電解質１６に電圧を印加
し強制的に電流を流すと、ジルコニア固体電解質１６内
で酸素イオンの移動が生じる。

この酸素イオンの移動量は電流値として現れ、この電流
は固定抵抗２８により検出される。この際、固定抵抗２
８間の電位差を電圧測定回路２９にて測定し、これを電
流値として換算する。ここで出力される電流値は排気ガ
ス中の酸素濃度に対し相関関係を有しており、よってこ
の電流値より排気ガス中の酸素濃度を検知することがて
きる。

スイッチ回路１５はスイッチ部３１とスイッチ切替え回
路３２とにより構成されている。スイッチ部３１は、上
記したセンサ本体部１２のリード線２０．２１の両端子
ａｌ、ａ２を、酸素ポンプ回路１３の両端子ｂｌ、ｂ２
または酸素濃度検出回路１４の両端子ｃｌ、ｃ２に選択
的に接続させる働きをする。また、スイッチ切替え回路
３２は、スイッチ部３１のスイッチ切替え動作を制御す
るものであり、このスイッチ切り換え回路３２によりス
イッチ部３１は端子ａｌ、ａ２を交互に所定の周期で、
端子ｂｌ、ｂ２または端子ＣＩ、Ｃ２に接続する。

上記のスイッチング回路１５の動作により、センサ本体
部１２は選択的に酸素ポンプ回路Ｉ３、或いは酸素濃度
検出回路１４と接続される。ここで本明細書では、セン
サ本体部１２が酸素ポンプ回路１３と接続されている状
態を空燃比検出装置１１が酸素ポンプモードにある状態
といい、またＩ センサ本体部１２が酸素濃度検出回路１４と接続されて
いる状態を空燃比検出装置１１が測定モードにある状態
という。

空燃比検出装置１１が酸素ポンプモードある時の動作に
ついて以下説明する。

空燃比検出装置１１が酸素ポンプモードにある時、上記
のように定電流回路２６はセンサ本体部Ｉ２の一対の電
極１７．１８に接続されている。

この定電流回路２６は直流電流源となるものであり、こ
の定電流回路２６の陽極側端子ｂ１は排気ガス側の電極
ａ１に、また陰極側端子ｂ２は大気側の電極ａ２に接続
されるよう構成されている。

よって、定電圧回路２６がセンサ本体部１２に接続され
ることにより、酸素イオンは大気側の電極１８から排気
ガス側の電極１７に向けて移動を行い、これにより反応
室２２内の酸素濃度は上昇する。

次に、空燃比検出装置１１が測定モードにある時の動作
について説明する。

空燃比検出装置１１が測定モードにある時、上記のよう
に定電圧源２７はセンサ本体部１２の一対の電極１７．
１８に対して所定の電圧を印加している。この測定モー
ドにおけるセンサ本体部１２の動作は、限界電流式酸素
センサの動作と同一である。

即ち、ある一定の温度条件下において、ジルコニア固体
電解質１６の両側に配設された電極１７゜１８に対して
定電圧源２７を用いて電圧を印加すると、ジルコニア固
体電解質１６内を酸素イオンが陰極側電極１７から陽極
側電極１８に向は移動する（酸素のポンプ作用による）
。この酸素イオンの移動量は電流値として検出でき、そ
の値は印加電圧の増加に伴って直線的に増加する。

この時、第１図に示すように、陰極電極１７側（排気ガ
ス側）に陰極電極１７に到達する酸素分子の数を制御す
る拡散律速層１９を設けると、第４図に示すように、出
力電流値が一定値まで増加した後、印加電圧を増加させ
ても出力電流値が飽和する特性を示す。この飽和した電
流値は、陰極側、即ち拡散律速層１９のある側の酸素濃
度に応じた値となるため、適当な印加電圧ａを選定する
ことにより、第５図に矢印Ｂて示されるように、酸素濃
度と出力電流値との間にはほぼ直線的な関係か得られる
。また、希薄混合領域における排気ガス中の酸素濃度と
空燃比との間には、一定の相関関係が存在するため、こ
の出力電流値を測定することによりエンジンの空燃比を
検知することができる。

排気ガス中の酸素濃度に対応した値を有する出力電流は
、前記したように固定抵抗２８及び電圧測定回路２９に
より検出され平滑回路３０により電流値として出力され
る。

上記のように、空燃比検出装置１１は酸素ポンプモード
と測定モードの二つのモードを有するか、本発明ではこ
のモードの切り換えを所定の周期でスイッチング動作を
行うスイッチ回路１５により行うことを特徴とするもの
である。以下、この切り換え動作を行うことによる空燃
比検出装置　１１の空燃比の測定動作について説明する
。

前記したように、単に測定モードだけによる測定たけて
は、第５図に矢印Ｂて示す測定結果しか得られず、リッ
チ側の空燃比の測定かできない。

しかるに本発明による空燃比検出装置１１ては、測定モ
ードと酸素ポンプモードか交互に繰り返されるため、所
定の間隔て酸素か大気側から反応室２２に供給される。

これにより、測定モードにおいて出力される出力電流値
はこの供給される酸素量分たけかさ上げされて、第５図
に矢印へで示される出力となる。

特にリッチ側においては、排気ガス中に酸素は含まれて
いないが、完全に燃焼しきれずに残った可燃性ガス成分
である水素（Ｈ２）−酸化炭素（ＣＯ）、ハイドロカー
ボン（ＣＨ）等が存在しており、その存在量は空燃比が
リッチである程増大する。この可燃性ガス成分は反応室
２２内に進行すると酸素ポンプモードにおいて反応室２
２内に供給されていた酸素と反応し、水（Ｈ２Ｏ）や二
酸化炭素（ＣＯ２）に酸化される。また、この酸化反応
で余剰となった酸素分子は次の測定モードにおいてジル
コニア固体電解質１６を透過して大気側へ移動し、酸素
濃度検出回路１４によりこの酸素分子の移動に対応した
電流値が測定される。このリッチ領域の測定では、ジル
コニア固体電解質１６を透過する酸素量か少ない程、空
燃比はリッチとなっており、よって酸素ポンプモードを
設けることによりリッチ領域においても空燃比の測定か
可能となる。

」１記のように、本発明装置によれはリーン領域からリ
ッチ領域までの広い範囲にわたって空燃比の測定を行う
ことか可能となり、種々なエンジン状態（例えば通常走
行時等の低付加状態や、登板走行時等の高付加状態等）
に対応した空燃比測定を行いうるため、より効率的なエ
ンジン制御を実現できる。

尚、上記各モードの切り換えのタイミンクは、出力電流
の平滑性及びに高応答性を確保する面より、ＩＨｚより
高い周波数である一方が望ましいと思われる。

第６図は本発明になる空燃比検出装置１１を実際にエン
ジンに装着し、空燃比の測定を行った結果を示している
。同図に矢印Ａで示すのは、酸素濃度検出回路１４から
の出力信号であり、また同図に矢印Ｂで示すのはスイッ
チング回路１５のスイッチ切り換え信号である。このス
イッチ切り換え信号により、信号かハイレベルの時空燃
比検出装置１１は測定モードとなり、ローレベルの時酸
素ポンプモードとなる。

同図に示されるように、空燃比検出装置１１のモードか
酸素ポンプモードと測定モードとに交互に切り換わって
も、出力電流値は滑らかな変化を示す。同図の例では空
燃比（Ａ／Ｆ）がＡ／Ｆ１９からＡ／Ｆ＝１３まで変化
した様子を示している。よって、酸素ポンプモードと測
定モードとを交互に切り換えても空燃比測定を行うこと
は充分に可能であり、従来の酸素ポンプ部と酸素センサ
部とを共に設けた空燃比検出装置とほぼ同一精度の空燃
比測定を行うことかできる。

上記のように、空燃比検出装置１１ては一定の周期で測
定モードと酸素ポンプモードが切り換わるが、各モード
において使用する電極１７．１８は共通である。即ち、
各モードにおいて電極１７゜１８を兼用した構成となっ
ている。この構成とすることにより、センサ本体部１２
に配設する電極の数は２枚（２枚で一対の電極を構成す
る）で済み、これに伴いセンサ本体部１２から引き出さ
れるリード線２０．２１の数も少なくなり、センサ本体
部１２の小型化、構造の簡単化及び低コスト化を図るこ
とが出きる。

また、センサ本体部１２を従来と同一サイズとした場合
には、白金電極１７．１８の面積を大きく取ることがで
きる。このように、白金電極１７゜１８の面積を大きく
した場合には、第４図に示した印加電圧に対する出力電
流特性（Ｖ−Ｉ特性）を向上させることができる。即ち
、従来であったならば第７図（Ａ）に示すようにＶ−１
特性の初期の立ち上がりが遅かったが、白金電極１７，
１８の面積を大きくすることにより内部抵抗が下がり電
流が良く流れるため、第７図（Ｂ）に示すように立ち上
がりを早くする事ができる。これにより、酸素濃度検知
を行い得る印加電圧範囲（図中、Ｖｌて示す範囲）が拡
大し、空燃比測定を行いうる範囲を広げることができる
。

尚、上記した実施例ではモード切り換えのスイッチとし
て機械的な切り換えスイッチを用いた例を示したが、こ
れに限るものではなく、電子的スイッチを用いてモード
切り換えを行う構成としても良い。

また上記実施例では、スイッチ切り換え信号により、信
号がハイレベルの時測定モードとし、ローレベルの時酸
素ポンプモードとなるよう構成したが、この逆の構成と
し信号がハイレベルの時酸素ポンプモードとし、ローレ
ベルの時測定モードとしても良い。また、モード切り換
え信号は必ずしもローレベルの時間とハイレベルの時間
か同一である必要はなく、異なる時間としても良い。

〔考案の効果〕

上述のように、本発明によれば、測定モードと酸素ポン
プモードの各モードで電極を兼用できるため、電極数を
少なくすることができ、またこれに伴い引き出されるリ
ード線の数も少なくできるため、夫々専用の電極を設け
た従来構成の装置に対して装置の小型化及び構造の簡単
化を図ることかでき、また素子の大きさを従来と同一と
した場合には、電極面積を大きく取ることができるため
、Ｖ−Ｉ特性の初期の立ち上がりを早くすることができ
、よって検知できる印加電圧範囲は拡大し空燃比の検出
範囲を広げることができる等の特長を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である空燃比検出装置を示す
要部構成図、第２図及び第３図は本発明装置に適用しう
るセンサ本体部の具体例を示す図、第４図は印加電圧の
上昇に対する出力電圧変化特性（Ｖ−Ｉ特性）を示す図
、第５図は酸素濃度検出回路の出力電流と空燃比及び酸
素濃度との関係を示す図、第６図は本発明装置をエンジ
ンに実装した場合の測定結果の一例を示す図、第７図は
従来の空燃比検出装置の一例を示す図である。 ２・・・センサ本体部、１３・・・酸素ポンプ回路、１
４・・・酸素濃度検出回路、１５・・・スイッチ回路、
１６・・・ジルコニア固体電解質、１７．１８・・・電
極、１９・・・拡散律速層、２０．２１・・・リード線
、２２・・・反応室、２６・・・定電流回路、２７・・
・定電圧源、２９・・・電圧測定回路、３２・・・スイ
ッチ切り換え回路。 特許出願人　トヨタ自動車株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ジルコニア固体電解質と、 該ジルコニア固体電解質の両面に配設され、一方が排気
   ガス側と接し、他方が大気側と接するよう配設された一
   対の電極と、 透過する酸素分子の数を制御する拡散律速層と、該排気
   ガス側の電極との間に形成されており、該排気ガスに含
   まれる反応ガスが酸化反応する反応部と、 該一対の電極に直流電源を供給し、該一対の電極と共に
   酸素ポンプを構成する酸素ポンプ回路と、該一対の電極
   に電圧を印加し、該一対の電極と共に限界電流式酸素濃
   度センサを構成する酸素濃度検出回路と、 該一対の電極を一定の周期で該ポンプ回路または該酸素
   濃度検出回路に交互に接続させるスイッチ手段と により構成されることを特徴とする空燃比検出装置。